火力发电机组前置泵可靠性在线分析系统设计

火力发电机组前置泵可靠性在线分析系统设计

杨晶 吴春 张喜平

中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 北京 100043

摘 要：火力发电厂的前置泵在系统中发挥着重要作用，对前置泵的可靠性进行分析和诊断能够有效的提高和改善系统整体的可靠性水平。本文设计了一种通过前置泵实时运行参数对泵轴承温度、启停工况、汽蚀余量、压力损失等可靠性要素进行劣化趋势分析的在线分析系统，并以一台600MW火力发电机组汽动给水泵组的前置泵为实例，检验系统的运行效果。

中图分类号： 文献标识码：A

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Research on on-line efficiency analysis system of booster-pump of coal-fired unit

Yangjing Wuchun Zhangxiping

（China Datang Corporation Renewable Energy Science and Technology Research Institute, Beijing 100043）

Abstract: booster pump of turbo-feed pump is an important auxiliary equipment of coal-fired power unit. The efficiency of the booster pump is an important economic index of the pump operation. And also the deterioration analysis of booster pump‘s efficiency is an important technical means to realize the early diagnosis pump fault. In this paper, described how to design an on-line-analysis-system of the booster-pump-efficiency , which uses the real-time data of the Supervisory Information System to complete of booster pump’s efficiency on-line calculation and the efficiency deterioration analysis. It can quickly and accurately analyze the deterioration trend of the efficiency of booster pump and provide early warning of the booster pump fault, which is one of important decision-making basis for the condition based maintenance of the booster pump. In the process of system design, the stable working condition of the unit required by the calculation of pump efficiency is fully considered, as well as the influence of different installation positions of sensors on the calculation of pump efficiency, and compensation is made for it. The system is designed with B / S framework, Java language is used for server programming, and bootstrap open source project is used for front -end.

Key words: coal-fired-power-unit；booster-pump；efficiency；on-line-analysis-system

0 引言

离心泵广泛应用于工业领域，在工业生产系统发挥着关键作用，如火力发电机组的前置泵，当并列运行的前置泵单台故障停运时，会导致机组降出力运行，如果两台前置泵全部停运则会引起发电机组停运。本文设计并实现了一种利用火电厂厂级监控信息系统（SIS）的实时数据实现前置泵可靠性在线分析系统，为火力发电机组主要辅助设备劣化趋势在线分析做有益的探索和实践。

1汽前泵可靠性分析模型

1.1 汽前泵系统简介

前 置泵在火力发电厂部署于除氧器和给水泵之间，主要作用是提升给水泵入口压力，防止给水泵汽蚀。图1是前置泵系统简图。

图1：前置泵系统简图

图1中各测点通过变送器转化为4~20mA模拟量，送入机组DCS，机组DCS通过通信接口机将测点数据转发至发电厂厂级监控系统（SIS）,前置泵可靠性在线分析系统从SIS获取实时数据，实现汽前泵轴承温度、汽蚀余量、启停工况、压力损失等影响泵可靠性的要素的劣化趋势在线分析，图2为系统数据传输结构图。

图2：系统数据传输结构图

1.2 前置泵可靠性分析各要素的计算模型

1.2.1 前置泵汽蚀余量在线分析计算模型

汽 蚀现象是指泵输送的介质汽化,产生气泡,当小气泡足够多，发生破裂，会产生非常高的能量,致使介质流过的部件（如叶轮、管道等）受损。泵则表现为振动和噪声增大。因此，前置泵运行时汽蚀余量应大于泵的必须汽蚀余量，防止泵汽蚀。制造厂会给出泵的必须汽蚀余量曲线，如图3所示。

图3：前置泵汽蚀余量曲线

根据GB-3216《回转动力泵水力性能验收试验 1级和2级》，汽蚀余量为入口总水头加上相应于大气压力的水头，减去相应于汽化压力的水头，计算公式如式（1）。

（1）

其中

：水的汽化压力(绝对压力)；

：大气压力(绝对压力)；

ρ： 介质密度

g： 重力加速度；

：入口总水头，泵入口截面处液体的总水头为： ；

其中：

：泵入口流速；

: 泵入口压力；

：泵入口介质密度；

: 泵入口中心高度。

前置泵汽蚀余量在线计算模块首先从sis系统获取泵的入口质量流量、入口介质温度和压力，计算出泵的体积流量Q，根据泵的汽蚀余量曲线使用插值法计算对应流量下泵的必须汽蚀余量NPSHr。然后通过式（1）计算泵的实际汽蚀余量NPSH。当NPSH

式(1)中介质密度ρ和水的汽化压力使用IAPWS-IF97公式进行在线计算。

1.2.2 前置泵入口管路压力损失分析计算模型

图4：前置泵入口压力损失示意图

设前置泵入口压力损失为 , 的计算公式如式（2），系统正常时 值很小，当由于阀门未开到位或阀门运行中脱落，虽然泵的入口压力变化不大，却会造成 急剧增加，因此分析 的变化趋势，有利于发现泵入口阀门、滤网等设备的早期缺陷。

（2）

其中：

：泵入口管路压力损失；

：除氧器水位计标高；

：除氧器水位；

ρ：介质密度;

g：重力加速度；

：除氧器压力;

：泵入口压力;

1.2.3 前置泵轴承温度在线分析

前置泵转动部分的大部分故障早期表现为轴承温度的异常升高，如润滑不良、轴系不对中、不平衡等，因此对轴承温度进行劣化趋势分析，是设备分析的重要手段。实际生产过程中当轴承温度超过轴承温度的告警值和停机值时，意味着前置泵必须尽快进停运检修，如此则无法实现根据设备状态，在早期即发现设备故障，为设备检修做准备，在适当的时机，在不影响发电机组整体运行的条件下进行低谷消缺，处理设备缺陷。

在前置泵正常运行时，前置泵的轴承温度是随着前置泵的流量和介质温度变化而变化，因此分析前置泵在相同流量和相同介质温度的工况下轴承温度的劣化趋势，就可以在早期发现设备问题。前置泵可靠性在线分析系统从SIS读取汽前泵运行历史数据，进行工况筛选，在相同泵流量和介质温度工况下比较轴承温度，当轴承温度出现劣化趋势时做相关报警和提示，为状态检修提供决策依据。系统首先根据筛选稳定工况的条件如下：

• 1小时内机组负荷波动不大于3MW(5%机组额定负荷)

• 1小时内前置泵流量波动不大于60t/h(5%汽前泵额定流量)

1.2.4 前置泵启动工况在线分析

前置泵的启动电流和启动时间也是前置泵状态劣化的重要诊断分析依据。人工对泵的历次启动过程参数进行对比分析非常繁琐，系统实现了从历史数据中筛选启动工况，描绘泵的启动曲线，实现启动工况自动分析。在SIS系统中监视前置泵状态的测点“汽前置泵已启”当泵停止状态时其值为0，启动后其值为1。泵启动工况具体判断逻辑为：连续计算1分钟内“汽前置泵已启”测点的平均值，当平均值大于1时，表明在此1分钟内泵启动，然后遍历这一分钟内各秒数据，找到启动点，记录启动点之前30秒和启动点之后30秒泵电流、电压、流量、入口压力、出口压力、介质温度等工况数据，形成一个启动记录。

2前置泵可靠性在线分析系统的结构

2.1 系统数据库设计

系统数据库使用MySQL，是一个关系型数据库，是目前最流行的关系型数据库管理系统，在WEB应用方MySQL是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。根据业务逻辑建立的数据库数据表清单如下：

表1：数据表清单

2.2 系统程序设计

前 置泵可靠性在线分析系统采用B/S架构设计，服务端编程语言采用java，静态页面服务器使用Nginx，使用Tomcat为前端提供数据访问。浏览器页面设计使用了Bootstrap框架，曲线绘制使用了Echarts框架。程序总体流程如图5所示。

图5 系统流程图

前置泵可靠性在线分析系统的数据分析计算模块使用SIS系统提供的API定时从SIS系统读取前置泵实时运行数据，完成如下计算：

• 对前置泵的工况进行判断，对符合稳定工况判据的数据进行标记；

• 计算时段内泵的扬程、汽蚀余量、压力损失，并写入数据库；

• 判断时段内是否存在泵启动，如果存在，将启动工况数据写入数据库。

Nginx用于部署静态页面，为用户提供浏览器访问服务，系统前端程序如表2所示。

表2：前端页面设计清单

上述页面通过Ajax与Tomcat服务端程序进行数据交互，响应用户访问。

3 系统运行效果

3.1 前置泵汽蚀余量分析

图6为某600MW机组汽动给水泵系统汽蚀余量趋势分析，由图中可以看出，当泵流量从512.95m³/h变化至1040.77m³/h时，泵的汽蚀余量在29m至28.5m之间波动，前置泵在当前工况下必须汽蚀余量为1.5m至1.6之间，可知在此时段内，泵汽蚀余量没有低于必须汽蚀余量，泵运行正常。

3.2 前置泵压力损失分析

图7为前置泵入口门阀杆脱落过程中各运行参数变化趋势图，从图中可以看出，从第66秒故障发生，至109秒阀杆完全脱落过程中压力损失计算值从0.07Mpa增加至0.126Mpa,增加了一倍，在此过程中剧烈变化，甚至出现负值，因此压力损失可以作为汽前泵管路阻塞故障的分析依据。

3.3 前置泵轴承温度分析

图8为机组不同负荷稳定工况下前置泵轴承温度的变化趋势。当前置泵流量从520m³/h增加至1033m³/h时，前置泵驱动端轴承温度从40℃变化至42℃，非驱动端温度从52℃变化至54℃，泵流量的变化使前置泵轴承温度产生了2℃的温升，可以作为参考值，用于设备劣化趋势分析。

3.4 前置泵启动分析

图9为前置泵启动过程趋势图形，从图中可以看出，前置泵从第11秒开始启动，1秒后电机电流达到最大值53A，母线电压从6.09kV降低至6.05kV,电流在启动12秒后降低至稳态值23.6A，母线电压也回复到6.09kV，泵启动过程正常。这条启动曲线可以作为利用泵启动曲线分析汽前泵设备性能劣化的参考。

4、结论

前置泵作为燃煤发电机组主要辅助设备，其运行可靠性是机组整体稳定运行的重要保证，本文设计的汽动给水泵前置泵可靠性在线分析系统从泵的汽蚀余量、启动工况、轴承温度、压力损失等方面提供了汽前泵可靠性在线分析技术手段，为在线设备劣化趋势分析做了有益的探索。

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作者简介 ：

杨晶（1982-），男，工程硕士，工程师，从事发电技术、信息化研究。

吴春（1973-），男，工学硕士，高工，从事电力自动化、继电保护研究。

张喜平（1977-），女，工学博士，副教授，从事物联网安全、物联网平台研究。